陈益松，徐 军，袁春艳

(1.东华大学服装和艺术设计学院，上海 200051;2.东华大学现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海 200051)

出汗热护式热板仪(后文简称出汗热板仪)具有模拟人体出汗的能力，从而实现了面料透湿能力的测量。湿阻是评价面料透湿能力的主要指标，但有别于Fick定律所定义的湿阻，出汗热板仪所测量的湿阻实际是蒸发阻力(evaporative resistance or water vapor resistance)，由 Woodcock［1］在 1962 年提出透湿指数概念时的热湿方程所表达，该理论引导了出汗热板仪及出汗暖体假人的研制。在形成ISO标准前，已有多款出汗热板仪在运行［2－3］，德国Hohenstein研究院针对出汗热板仪的工作模式进一步规范提出DIN 54101—1(1991)《使用热调节的人体皮肤模型测量稳态热阻和湿阻》简称“皮肤模型”(skin model)，后被采纳为ISO 11092—1993《纺织品生理效应稳态热阻与湿阻的测量(出汗防护热板试验)》，并被国际社会广泛接受，陆续成为欧洲标准BS EN 31092—1994《纺织品 生理特性 稳态热阻与湿阻的测量(出汗防护热板试验)》和 ASTM F 1868—02《使用出汗热板仪测量服装面料热阻和湿阻的标准方法》中的一部分。GB/T 11048—2008《纺织品 生理舒适性 稳态条件下热阻和湿阻的测定》中的A型仪器即ISO 11092—1993为原本，但仪器的具体形式有所拓展。

干热护式热板仪(后文简称干式热板仪)是在出汗热护式热板仪的基础上［4］附加了出汗系统、吹风系统及环境箱后可构成符合ISO 11092—1993标准的出汗热板仪。美国MTNW公司生产的SGHP出汗热板仪和ADL Atlas公司生产的M259B出汗热板仪为主要代表，本文以这2种出汗热板仪为研究对象，对出汗热板仪的系统构成进行分析，并使用SGHP出汗热板仪在相关标准下进行试验，以期对后续研究和使用提供参考。

1 出汗热板仪系统设计比较

最初的出汗热板仪是在干式热板仪表面覆盖一层高吸湿棉织物充当模拟出汗皮肤，与最早的出汗暖体假人在干式假人身上穿上一层紧身高吸湿棉织物内衣做出汗皮肤相似［5］。现代出汗热板仪是由专门设计的保水测量热板并覆盖一层隔水透湿的微孔膜构成出汗模拟皮肤。在一定环境条件下，通过测量热板的干热和湿热功率就可以计算出被测面料的热阻和湿阻。

1.1 SGHP出汗热板仪

SGHP出汗热板仪(后文简称SGHP)的基础结构来自ASTM型干式热板仪［4，6］，它可以实现ASTM F 1868—02(含ISO11092—1993项目)所规定的热阻、湿阻及透湿指数的测量。根据测量热板和侧热护板的尺寸又分为SGHP-8.2、SGHP-8.25和SGHP-10.5。图1示出SGHP出汗热板仪系统的示意图。

为了更好地实现出汗模拟，SGHP的测量热板8和侧热护板11上表面加工成具有浅薄纹路的颗粒状形态以提供含水空间，供水管14通过多个均布的水孔向表面供水，纤维素微孔膜6覆盖在热板表面，膜下液态水通过膜的微孔向外析出并蒸发形成汗水，但阻止液态水大量通过。

图1 SGHP出汗热板仪系统构成图Fig.1 Diagram of SGHP sweating hotplate system

为了保证1 m/s环境空气均匀流过测量热板，SGHP设置了距离测量热板100 mm的导流板4，为了减少热板仪的横向尺寸，将进风道设计成L型，环境风进入测量区域前需旋转90°。与热板仪直接相连通信的环境空气温度传感器2和相对湿度传感器3安装在L型进风道上。

SGHP供水系统设计巧妙，负压储水箱22内的空气与外界完全隔离，调节静压管23的水位，使水位显示管21显示的水位与热板仪上表面水平相同或略高，水箱自动以该水位向热板仪供水，由于供水箱密封，箱内水位的下降会在箱内产生负压(相对于大气压)，可使输出水位基本保持不变。图2示出SGHP供水系统原理图。

SGHP使用的环境箱是协作厂家的产品，具有独立的温湿度控制系统(温度传感器16和湿度传感器17)，但并不与SGHP直接联动。当SGHP自带的温湿度传感器2、3发现有较大的数据偏离时，需要手动调节环境箱的温湿度设置数据。

1.2 M259B出汗热板仪

M259B出汗热板仪(后文简称M259B)的基础结构是ISO型干式热板仪，不同于ASTM型的平行结构，其热护板为侧热护板与底热护板连体的U型结构［4］，但它的吹风系统和环境箱是一体的。图3示出M259B的系统构成示意图。

图2 SGHP自动供水系统Fig.2 SGHP water automatic supplier

图3 M259B出汗热板仪系统构成图Fig.3 Diagram of M259B sweating hotplate system

与SGHP不同，M259B的测量热板6是由含微孔结构的粉末合金制成，约3 mm厚，供水管11通入该微孔热板上表面后水分散到合金的微孔内部，同样，纤维素微孔膜4微孔覆盖在热板表面形成出汗模拟皮肤。

M259B采用机电式控制供水系统，使用浮式水位传感器感知水位，当比测量热板下降1 mm时，供水泵向热板仪补水。这种供水方式为间歇式，具有一定的波动性［7］，较SGHP采用静压原理自动补水系统的稳定性略差。

M259B测量区域上方是空间较大的环境箱，环境箱两侧在靠近测量平面处分别有一个高为55 mm的长条型出风口和吸风口。由于测量热板上方无附加导流板，经过热板的气流流场必然与具有导流板的SGHP有所不同，同时，M259B的环境箱内表面的红外发射率和吸收率也与SGHP的有机玻璃导流板的环境不同，这些因素是否会引起测量差异目前尚无文献报道。

新版本M259B的热阻和湿阻测量范围分别由原来的0.002～2.0 m2·℃/W和2～1000 m2·Pa/W拓展到0.001～2.0 m2·℃/W 和1 ～1000 m2·Pa/W，减少了薄型面料出现负值的可能。

2 测量标准

ISO 11092—1993规定，1 m/s风速条件下的热阻和湿阻测量方法是出汗热板仪的设计基础，很多国家或区域的标准基本与之相同或稍作修改，相比之下ASTM F1868—02做了较大的扩充，增加了不等温湿阻、透湿指数等的测量。在实际测量过程中，也可以根据需要自定义测试条件或在相关标准中进行修改。表1示出使用SGHP常用的测量项目及相关的测试条件。其中，A-Rct、B-Ret在 ISO 11092—1993、GB/T 11048—2008和ASTM F 1868—02中完全一致，而 C-Rct与 C-Ret作为 ASTM F 1868—02标准中的另一子项也经常用到。本文使用C-Rct和CRet与 A-Rct、B-Ret进行对比试验。

2.1 热阻的测量

在A-Rct与C-Rct的干态热阻测量中，它们的环境温度设定和空气流速的规定不同，但都是在热板仪不充水，也不覆盖纤维素膜的干态下进行，仅依靠测量热板与环境气流的热交换测量，热阻测量的公式为

式中:Rcf为面料的热阻，℃·m2/W;Rct为热板仪所测面料与上表面空气层的总热阻，℃·m2/W;Rct0为空板条件下依据式(2)所测空气层的热阻，℃·m2/W;A为测量热板的面积，m2;ts为测量热板温度，℃;ta为环境空气温度，℃;Hc为测量热板加热功率，W;△Hc为热阻测量校正功率，在仪器校准时确定，W。

2.2 等温湿阻的测量

目前尚无法对出汗热板仪有效测量区域(测量热板部分)的出汗量进行精确测量，难以对湿阻进行直接测量。B-Ret采用等温法进行测量，即将环境气流的温度设定为与测量热板一样的35℃，这样测量热板与环境气流之间没有温差，也就没有干热传递，测量热板所消耗的功率仅由测量热板表面的水蒸发引起，通过直接测量湿热功率从而避开了实际出汗量的测定。该方法湿阻的计算式为

表1 SGHP常用的测量项目和测试条件Tab.1 Common test items and test conditions by SGHP

式中:Ref为面料的湿阻，Pa·m2/W;Ret为热板仪所测面料与上表面空气层的总湿阻，Pa·m2/W;Ret0为空板条件下依据式(4)所测流动空气层的热阻，Pa·m2/W;psf为测量热板控制温度ts下的饱和水蒸气压，Pa;φa环境空气的相对湿度，%;测量热板纤维素膜下的相对湿度为100%;He为测量热板湿热功率，W;△He为湿阻测量校正功率，在仪器校准时确定，W。

2.3 不等温湿阻的测量

在C-Ret的不等温法湿阻测量中，因为测量热板与环境空气之间存在10℃的温差，测量热板消耗的功率即有温差引起的干热传递，也有出汗蒸发引起的湿热传递，由于测量区域的出汗量无法测量，解决方案就是采用二步测量法:先在不出汗的状态测量干热功率，按式(2)进行;再在出汗状态下测量干湿热总功率，将干湿热总功率减去干热功率即为湿热功率，则该方法湿阻的计算公式为

式中:paf为环境空气ta下的饱和湿蒸气压，Pa;Ht为出汗状态测量热板的总功率消耗，W。

在此标准下，面料本身的湿阻同样以总湿阻减去空板的湿阻即按式(3)进行计算，但Ret0同样需要按二步法在空板情况下按式(5)进行测量。但是，面料在干热阻测量时并没有吸入水分，而在湿阻测量过程中，面料是吸入水分的，会导致在出汗状态下通过面料的干热功率与纯干态测量时不一致的问题［8－9］，因此在用式(5)计算时，会引入这个误差。由于面料吸湿后热阻会下降，通过的干热功率会降低，因此按C-Ret测量，面料的湿阻值相对于真实值将偏低。

由于在C-Ret标准下是假定同一面料多层叠加后热阻和湿阻与面料层数呈线性关系，校准方法与ISO 11092—1993不同，此时在公式无△Hc和△He功率修正项。

3 试验与数据分析

本文试验选择棉、化纤、麻、毛4大类共20块面料使用SGHP-10.5分别对热阻(A-Rct、C-Rct)及湿阻(B-Ret、C-Ret)进行测量。表2示出试验面料种类及其参数。

表3示出不同标准下面料热阻和湿阻的试验结果以及相关数据处理结果。

分别对表 3 中 A-Rct与 C-Rct、B-Ret与 C-Ret的数据进行配对样本t检验，检测它们的总体均值是否有显著性差异。A-Rct、C-Rct、B-Ret和 C-Ret的数据经K-S检验都服从正态分布，符合检验条件，A-Rct与C-Rct、B-Ret与 C-Ret对应 t统计量概率 p值分别为0.732和0.001。

以0.05的显著性水平判断，A-Rct与C-Rct不存在显著差异，实际上它们之间的均值偏差只有0.6%，空板值也只相差0.3%，由此推断C-Rct校准后的风速与A-Rct的风速基本一致，同时5℃的温差设定差异对热阻的测量结果没有影响，文献［10］也曾给出1℃的温差设定差异对热阻测量无影响的结论。

表2 试验面料及参数Tab.2 Test specimens and parameters

表3 试验结果及相对偏差Tab.3 Test results and relative deviations

以0.05的显著性水平检验，B-Ret与C-Ret的数据存在显著差异。但B-Ret与C-Ret的空板差异仅为0.5%，B-Ret测量面料的湿阻值平均要比C-Ret测量的高17.7%，20块面料中有18块面料的B-Ret值要比C-Ret大，也证实了C-Ret不等温湿阻的二步法测量中，由于面料吸湿后热阻下降导致的干热流量上升被忽略，因此导致不等温湿阻测量的湿阻值偏低。该结论与出汗暖体假人测量的结论相同［9］。C-Ret并没有因测量条件更接近实际穿着条件(存在温差)而产生更准确的结果。但C-Ret却在透湿指数的测量中更有应用价值。

在2次湿阻的测量过程中，面料的平均吸湿率分别为4.2%和4.5%，其中多块吸湿率差的面料出现明显的液态水积聚，部分面料下方微孔膜上也有手可以触摸到的液态水，这是因为出汗皮肤的汗水不能得到正常的蒸发而产生液态水积聚(理论上膜与面料之间不应有液态水出现)，这些都可能影响面料本身湿阻的测量准确性。

4 与M259B的试验数据比较

本文并没有将SGHP-10.5与M259B直接进行比较，而是与已发表的M259B的试验数据进行了间接比较。文献［11］中使用M259B根据所测9块面料的A-Rct和B-Ret平均值分别为0.0294℃·m2/W和2.73 Pa·m2/W，是本文SGHP-10.5所测量20块面 料 热 湿 阻 平 均 值0.0157℃·m2/W 和4.86 Pa·m2/W的 1.89和0.56倍，属于一个数量级。而使用M259B的空板空气层的热阻和湿阻分别为0.249℃·m2/W 和88.82 Pa·m2/W，是 SGHP-10.5所测值0.0741℃·m2/W和6.00 Pa·m2/W的3.4和14.8倍，虽然SGHP-10.5与M259B的气流层因风道设计差异有所不同，但不可能相差如此巨大，说明2种热板仪本身存在明显的系统间差异，这种差异可能是基础干热板仪的结构差异(即测量热板与热护板之间的结构形式)以及校准的差异造成，这有待进一步研究，但根据现有对1 m/s空气层的热阻和湿阻的测量数据可以判断认为文献［11］中M259B的误差更大一些。

5 结语

本文对国际上2种典型的SGHP和M259B出汗热板仪的系统特点以及出汗技术进行了分析。对相关标准下特别是等温湿阻和不等温湿阻的测量模式的产生缘由进行了阐述。使用SGHP-10.5出汗热板对20块面料的热阻、等温湿阻和不等温湿阻进行了测量，在热阻测量中，发现A-Rct与C-Rct的测量结果非常接近。在湿阻测量中，发现B-Ret的等温湿阻要比C-Ret的不等温湿阻普遍大，均值高17.7%，推断原因是不等温湿阻为二步法测量，在测量过程中假设面料在干态条件下的热阻与吸湿后的热阻相同造成，这也是二步法测量的主要问题，但不等温法可以在同一温差和湿度差条件下分别对面料的隔热和透湿性能进行测量，与实际穿着情况比较接近，有较高的现实意义。本文还与文献中M259B的测量数据进行了比较，发现空板数据差异很大，推测M259B测试仪相较SGHP-10.5可能存在更大的系统误差。

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